建立時間: 2008-11-05 22:34:52

一、 汽車使用酒精的歷史與現況 酒精用於汽車的歷史始於料想不到的早。由於當時的政治、經濟的情勢，使酒精風光一時。最早把酒精（純乙醇）用於汽車的是美國的汽車產業之創始者亨利福特（Henry Ford）。據傳說，農家出身的他把自家製的酒精用於汽車，使得酒精燃料暫時在美國各地普遍使用。此後，於第二次世界大戰中，也有過為增加飛機的動力而把純甲醇（methanol）加水的燃料用於飛機的輪機引擎（Turbo Engine）。戰後，酒精燃料主要是以提高汽車性能而受注目。例如自1950年代至60年代的一段時期，純甲醇也有過用於公式的賽車之燃料。如上述，在美國有主要以純乙醇與純甲醇用為汽車燃料的歷史。在日本，於1937年因當時的政治、經濟情勢，成立了「酒精混入汽車法」，生產了最高含酒精20％的酒精汽油。結果於1944年共生產了23億公升的乙醇。雖然酒精燃料在美國和日本曾經多次廣受注目，後來，由於石油價格更為便宜且可大量買得到的石油全盛時代的來臨，迫使酒精燃料的使用逐漸減少。 1973年突然發生的石油危機，迫使自由諸國重新評估石油資源的經濟效應。從此以後，石油價格是基於OPEC（石油輸出國組織）與先進自由諸國的政治、經濟的均衡關係而定是眾所週知的事實。在此種狀況下，酒精燃料再度受重視的遠因是1980年12月蘇俄軍隊入侵阿富汗。當時的美國卡特總統對為農作物的歉收而煩惱的蘇俄停止糧食的輸出作為侵攻阿富汗的報復措施，其結果造成美國國內的玉米等穀物的剩餘量達數千萬公噸。當時美國的能源政策是將剩餘穀物轉換成汽車燃料為其一環，卡特總統以執行此政策來解決此困境。在此前，於1975年在內布拉斯加（Nebraska）州設立了農作物工業化利用委員會，並以90vol％無鉛汽油與10vol％無水乙醇的混合燃料稱為Gasohol，並以此登記為商標。雖然在美國和巴西已多年用於汽車，但甲醇的利用尚在開發中。由於甲醇比乙醇更具毒性與收濕性（Hygroscopicity），由於這些特性使甲醇在使用於汽車方面的開發較為緩慢，尤其酒精特有的收濕性是吸收大氣中的水分（moisture），使酒精汽油混合燃料容易分離為酒精與汽油的兩個液相，而有造成汽車引擎不順的疑慮。因此，在酒精汽油混合燃料之專利方面，有關防止「相分離」的方法佔大部分。 酒精汽油混合燃料用於汽車時，在技術上有許多問題尚待解決。尤其在Tribology方面的研究更少。以下就汽車使用酒精汽油時引擎的活動部分（Moving Parts）之磨損研究情形加以介紹。 二、 酒精汽車燃料的物性 茲將酒精、無鉛汽油、酒精汽油的主要物性示於表1。 表1 汽車、酒精、酒精汽油的物性

項目		無鉛汽油	乙醇	甲醇	酒精汽油	含10Vol％乙醇
發熱量,Kcal/kg		9600	6400	4700	9300
理論空燃比		14.5	9.0	6.4	13.9
辛烷值	研究法	91	106	106	95
	馬達法	83	89	92	85
沸點℃		30~220	79	64	30~220

  表中的辛烷值（Octane Number）是表示燃料的抗震爆性，數字越大越不引起震爆。用標準單缸引擎求得的辛烷值，通常以研究法（回轉速度等條件較為緩和）所測得的辛烷值較以馬達法（條件苛酷）測得的辛烷值高。不管用何種方法測定，酒精汽油的辛烷值比無鉛汽油稍高。即為酒精汽油的抗震爆性較優。然而，含有純酒精的酒精汽油燃料，具有上述優點之反面，其發熱量、理論空燃比、沸點等卻較汽油低。在引擎方面會引起冷車起動困難等的困擾。因此，須把引擎的構造加以改良達到與汽油引擎相同的性能。酒精與汽油有明顯不同之處是溶液的收濕性。尤其是甲醇比乙醇吸收更多的水分，易分離成極性與非極性兩種液相。此種由吸收水分所引起的溶液的狀態變化，對鋼的磨損有顯著的影響。 三、 酒精汽油與引擎的磨損 行駛性能 車輛使用酒精汽油燃料時，引擎的省燃油費率，即為每一公升燃油的行駛公里數。如圖1所示，在高速行駛時比使用汽油時低。但是如表1所示，酒精的辛烷值比汽油高，基本上使用酒精的引擎之輸出功率比碳氫化合物燃料—汽油—高。如上述，酒精汽油燃料與汽油比較，對引擎性能各有其優劣點。 各種酒精燃料對磨損的影響 美國陸軍燃料‧潤滑油研究所曾經用甲醇與乙醇以及其與汽油混合的酒精汽油以2300CC HOC（Over Head Cam Shaft）引擎做試驗，調查使用燃料對引擎各活動部分的磨損情形。其試驗結果如表2所示。使用酒精為燃料時，引擎活動部分的磨損，整體來說，比使用汽油為燃料時多。尤其使用純甲醇為燃料時，其汽缸頂內徑（Top Bore）與活塞頂環（Top Ring）有顯著的磨損。還有，試驗後的引擎潤滑油（SAE 10W/30）除了水分及摩耗粉等的增加以外，沒有顯明的變化。 表2 使用燃料與引擎活動部分的磨損

活動部分的磨損	乙醇	10vol％乙醇+ 無鉛汽油	甲醇	10vol％甲醇+ 無鉛汽油	無鉛汽油
汽缸頂內徑, mm	0.0000	0.0051	0.0660	0.0051	0.0051
汽缸中位內徑, mm	0.0025	0.0025	0.0025	0.0025	0.0025
活塞頂環, mm	0.0254	0.0254	0.1778	0.0254	0.0254
第二活塞環, mm	0.0762	0.1016	0.1016	0.0508	0.0762
連桿軸承, g	0.0078	0.0595	0.0341	0.0192	0.0327
凸輪隨動部, g	0.0038	0.0029	0.0559	0.0020	0.0005
凸輪鼻, mm	0.0102	0.0178	0.0635	0.0106	0.0106
排氣閥導, mm	0.0432	0.00670	0.1041	0.0076	0.0356
進氣閥導, mm	0.0051	0.0102	0.0152	0.0000	0.0127

  同研究所著眼於使用純甲醇時的異常磨損，進一步做了更詳細的檢討。以2300CC4缸引擎（使用加以鍍鉻的鑄鐵製活塞環和鑄鐵製汽缸）以回轉數2500rpm做試驗。試驗後的引擎潤滑油以化學定量分析測定潤滑油中的金屬磨損粉含量，其結果如圖3所示。從圖3可知使用純甲醇為燃料時的磨損量在低溫的一方顯明的大，並且以紅外分光分析法分析油中的沉澱物，檢出相當於甲酸鐵的高濃度點。對此，雖然沒有進一步的考察，但如圖4所示，油中的水分隨著引擎的運轉時間大略增加，與甲酸鐵之產生一併思考時，磨損的成因可推究為：因不完全燃燒而殘餘的甲醇氣體的一部分，溫度越低越凝結於汽缸內徑上端部表面，這些凝結物與因收溼產生的水分造成劣化生成物甲酸鐵的產生。甲酸鐵與活動部分的金屬表面反應，使得腐蝕性磨損增加。 紐西蘭奧克蘭大學的VAISELEY等研究人員對使用甲醇燃料的引擎之活動部分的磨損情形加以調查，也發現汽缸內徑上端部與活塞頂環的磨損，比使用汽油時還多。又以每1000哩取樣引擎潤滑油分析金屬粉含量，使用甲醇燃料時的錫與鉛也比使用汽油時還多。 美國的LAWRASON與FINIGAN以GM Oldsmobile八缸引擎分別使用有鉛汽油（辛烷值98）和無鉛汽油加25vol％乙醇的酒精汽油E25做200小時（相當於行駛7260哩）的耐久試驗。依據試驗前後的活塞環重量的變化，求得磨損量如圖5所示，使用E25酒精汽油時其活塞頂環的磨損比使用有鉛汽油還多。這證實了乙醇汽油燃料對活塞環的磨損確實有害，但並無提引擎活動部分磨損的成因。 4、 乙醇系燃料對鋼磨損的影響 使用酒精汽油燃料造成引擎活動部分磨損是事實，但並無提出磨損的成因。以下介紹乙醇系燃料對鋼的磨損現象。 1.負荷與滑動速度的影響 汽車引擎使用酒精汽油，引擎活動部分的磨損受負荷與滑動速度的影響情形如圖6與圖7所示。由負荷引起的磨損變化雖然是不十分明顯，由滑動速度引起的磨損則在低速區域變大。此種磨損的變化傾向也受所使用燃料影響而有明顯的不同，如圖7所示使用含10vol％乙醇的酒精汽油（E10），鋼的磨損至為明顯，磨損率也高。使用燃料的不同與磨損率的大小關係與表2所示引擎活動部位的磨損大略能相對。值得一提的是雖然同為E10酒精汽油，其含水量稍為不同（如0.7％與0.3％）也會大大的影響到鋼的磨損（如圖7所示）。 2.酒精汽油的組成（Composition）與溶液狀態的影響 圖8是酒精汽油的乙醇濃度（含乙醇vol％）影響鋼磨損的情形。鋼的磨損率是在乙醇濃度20vol％時最大，其值相當於在純水中的磨損。此時的溶液（酒精汽油）包含不可避免地被收濕進來的水分約0.2vol％，成為乙醇‧水。汽油3種成分系，以乙醇濃度20vol％為界，在低濃度乙醇區域形成了以汽油（G）為分散介體和以收濕水分的乙醇（WE）為分散質的WE/G型乳濁液，在高濃度乙醇區域則相反地形成了G/WE型乳濁液。剛好在乙醇20vol％附近3種成分成為完全溶解狀態，在此點顯示了磨損率達到高峰一點值得注意。又把水加入酒精汽油（E10）時的溶液狀態與磨損的關係示於圖9，可知在液相即將分離之前的完全溶解狀態時之磨損最大。此結果與磨損試驗的結果（圖8）對比，可知腐蝕速度與磨損率同為於20vol％濃度時顯示為最高值，如圖10所示。在此情形，雖同為乙醇濃度20vol％的溶液組成，含水量也會稍為不同。以含水狀態來看，同為在完全溶解狀態之下顯示最高值為其共同之點，可說溶液的腐蝕性和磨損有密切的關係。從圖6～圖9的一連串試驗皆採用平面/圓筒型試驗機做試驗。 使用含水酒精汽油時試片的磨損痕較大，在磨損痕與其週邊發現堆積著較多的有機物質和氧化物質。此氧化物質雖然是α─Fe2O，在浸漬試驗的試片面被固定的羥基氫氧化鐵（α─、β─、γ─FeOOH），可推測為於摩擦過程中發生例如下列的分解反應Ζα─FeOOH→α─Fe2O3+H2O。隨著摩擦發生的分解反應在銹（羥基氫氧化鐵）的乾燥摩擦試驗中已被確認。這些結果指出使用酒精汽油（乙醇、汽油、水的混合溶液）時的磨損形態是由溶液引起的腐蝕磨損。 結語： 使用酒精汽油燃料時引擎活動部分的腐蝕、磨損這個問題，目前已就材料及燃料之兩方面進行研究。巴西已計劃生產非腐蝕性乙醇，腐蝕磨損是化學及機械的複雜作用，要解決尚需時日。